硬岩TBM掘进施工技术研究

硬岩TBM掘进施工技术研究

摘要：以引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为依托，就硬岩TBM法隧

洞施工中所遭遇的高磨蚀性硬岩掘进、岩爆、突涌水、设备故障率高及长距离独

头通风等方面进行了介绍说明，并针对性的提出了解决措施，可为类似工程施工

提供借鉴和参考。

关键词：硬岩；TBM；岩爆；突涌水；措施

0 引言

全断面隧洞掘进机（TBM）因其工作效率高、隧洞成型好、对周边环境影响

小及作业安全等优点已被广泛应用于国内外深埋长隧洞的施工中［1-3］。近年来，通过国内外学者和工程技术人员在长期的TBM掘进施工探索过程中，对于TBM

掘进施工提出了宝贵的建议。彭道福［4］以秦岭Ⅰ线隧道出口段为例，针对

TBM通过不良地质地段提出了应对方法。鉴此，本文以引汉济渭秦岭隧洞TBM

施工段岭南工程为依托，对TBM在硬岩地段掘进中所遭遇的高磨蚀性硬岩掘进、强涌水、强岩爆等进行分析与研究，探寻应对措施和方法，以期提高TBM在硬岩地段的掘进效率。

1 高磨蚀性硬岩掘进研究

岭南TBM施工段以石英岩、花岗岩为主，围岩强度高（最高达303.6MPa）、完整性好（平均为0.8）、围岩石英含量高（最高达92.6%）、耐磨值大（最大

5.71），掘进过程中刀盘推力大，贯入度小，刀具磨损及异常损坏严重，掘进效

率低下。

（1）掘进参数研究

岭南TBM试掘进以来，平均掘进速度仅有1.19m/h，掘进过程中参数波动大，平均贯入度约为3.5mm/r，掘进效率低。视围岩强度及破碎情况拟定的掘进参数

见表1。

表1 秦岭隧洞岭南TBM施工段掘进参数拟定表

（2）刀具消耗研究

岭南TBM已掘进完成段均为石英岩或石英片岩夹花岗岩，石英含量平均达到74%，由于围岩强度高、岩石中石英含量高，耐磨值高达5.71，造成TBM刀具磨

损严重，刀具更换频繁。经统计，TBM掘进段平均刀具消耗为0.73把/米。刀具

消耗指标根据实际消耗情况进行修正后的数据见表2。

表2 引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM工程开挖直径8m 刀具测算指标一览表

单位：套/100m3

在刀具消耗方面，为有效降低刀具消耗，一方面应开展刀具专项试验，试验

国内外知名厂家刀具，采集数据综合分析，摸索和寻求适宜于本工程掘进的刀具；另一方面应从刀具与掘进参数等方面挖掘改进及优化的空间；除此之外，如果遇

到掌子面围岩坍塌严重，建议从增加刀刃、提高刀圈韧性等方面提高刀具的抗冲

击能力。

（3）刀盘升级研究

①优化刮板座结构：刮板母座由原来单个结构更改为整体结构，使其受力更

均匀，刮渣板更换更简易。

②引进新材料：易磨损部件改用耐磨材料或堆焊耐磨材料，如V型耐磨块、

挡渣块上安装催米材料，通过与厂家沟通过工艺改进优化达到增强挡渣块耐磨效

果的目的。

③优化刀盘喷水结构：通过技术改进将刀盘喷水喷嘴增大，优化旋转接头设

计结构，增加旋转接头使用寿命，使刀盘喷水能有效降低刀具在破岩时产生的粉

尘和热量。

④引进泡沫系统：依托现有刀盘喷水系统进行优化，新增泡沫注入系统，在

掘进过程中通过喷洒泡沫，保护刀具、面板和其他结构件。

2 岩爆应对研究

2.1 岩爆预测研究

岭南TBM借助微震监测系统（Micro-seismic Monitoring System，MMS），利

用岩体受力变形和破坏过程中发射出的声波和微震对岩石的破裂和失稳进行分析，对三维空间中的岩体性状进行实时监测，据此对刀盘前方岩爆级别进行了判定，

如下表2所示：

表2 基于微震监测技术的岩爆风险预判别标准

2.2 岩爆治理[5]研究

鉴于深埋隧洞深部或高应力下岩体在开挖前储存了大量能量，首先，控制TBM掘进开挖速率，以最大限度的降低二次应力局部集中造成隧洞四周高应力能

量的聚集。其次，进行岩体地应力能量的预释放及能量转移。第三，制定针对性

支护方式，优化支护措施，避免或降低岩爆的发生风险。

2.2.1 中等岩爆防治措施

中等岩爆能量较大，破坏力较强，加之其发生的不确定性和不可预见性，治

理难度加大。通过对岭南TBM已施工段岩爆规律进行分析总结，主要有以下两种形式。

出露护盾前岩爆

刀盘掘进过程中的切削作用导致围岩应力的重分布，未出露护盾前即发生岩爆，围岩剥落、掉块、坍塌形成塌腔，主要采取以下措施进行治理：（1）喷射高压水软化围岩，等待应力释放和调整（1～2h）；

（2）初喷C20喷射混凝土（5～8cm）对岩面进行封闭；

（3）初凝后，挂设Ф8钢筋网片和施作Ф25中空锚杆（3.0～3.5m），稳固

围岩；

（4）复喷C20喷射混凝土（10～15cm），即整体厚度不低于15cm；

（5）借助微震监测、应力测试等预测手段进行观测，确定是否需要按下述措施加强支护：

①正洞断面立设H125（I16）全圆型钢拱架，拱架上视空腔情况安装一定的

刚性材料与岩面形成有效支撑；

②拱架间采用Ф22螺纹钢进行加强连接，环向间距1.0m，拱部180°范围内

挂设Ф8钢筋网片；

③拱架外背采用1.5mm厚铁皮对塌腔进行封闭并埋设Φ80mm注浆管、排气管，采用C20细石混凝土对拱部塌腔回填密实；

④喷射C20混凝土对岩面进行封闭，厚度10～15cm。

出露护盾后岩爆

岭南TBM由于隧洞埋深大、围岩完整性好，多发生滞后性岩爆，采取的应对

措施有：

（1）借助TBM自带的mcnally系统在拱部120°范围内采用Ф18钢筋排辅以